Simulación CFD: Deflectores para saltos de agua

Las estructuras de deflectores se emplean para conducir flujos de aguas urbanas hasta túneles habitualmente subterráneos. El agua cae en cascada por los deflectores hasta una zona encharcada en la parte inferior que desagua a un túnel. La estructura se ha utilizado con éxito en proyectos de drenaje urbano. Sin embargo, sus características hidráulicas suponen un reto en la fase de diseño e ingeniería.

En la siguiente imagen, obtenida de un interesante artículo sobre este tipo de estructuras, podemos ver un esquema de estos elementos.

Estructura de saltos de agua

Para realizar estos proyectos, la simulación CFD es una herramienta de gran utilidad. Los análisis CFD permiten comprobar la evolución del flujo, valorando la capacidad de desagüe y la altura que alcanzaría el agua en cada deflector. Esto facilita en la etapa de diseño la ubicación de diversos elementos de control e inspección que llevan estas estructuras.

En esta entrada veremos algunos consejos y ejemplos de estas simulaciones realizadas por ICEMM como empresa con amplia experiencia en el análisis y optimización mediante simulación CFD.

Preparación del modelo CFD

A nivel de simulación la técnica más extendida para modelar estos problemas de superficie libre se conoce como VOF (Volume of Fluid). Los software FLOW3D Hydro o MSC Cradle por ejemplo cuentan con esta técnica.

También en la alternativa de código abierto OpenFOAM, el solver interFoam permite emplear el método VOF.

En este tipo de simulaciones transitorias es importante regular el paso de tiempo de forma adaptativa, asegurando que el número de Courant se mantenga dentro de los límites que el solver pueda manejar, normalmente por debajo de la unidad. Esto también hace que el mallado sea de gran importancia e influya mucho en el coste computacional de la simulación, por lo que debe escogerse el tamaño de malla con cuidado.

En el caso de OpenFOAM deben seleccionarse los esquemas de discretización y resolución adecuados para cada una de las ecuaciones y términos. También al imponer las condiciones de contorno debe prestarse atención a la presión ya que en el solver interFoam se resuelve por defecto la variable de presión sin el término hidrostático.

En la siguiente imagen vemos un detalle de una estructura mallada en OpenFOAM con la herramienta snappyHexMesh.

Mallado CFD en OpenFOAM

En software comercial como Flow3D o Cradle la configuración del caso es algo más sencilla, pero la calidad de los resultados para un tamaño de malla similar, es muy parecida.

Resultados de la simulación CFD

A continuación mostramos un ejemplo de simulación CFD de este tipo de escenarios. Hemos realizado un estudio de una estructura modelo de unos 30m de altura empleando el software OpenFOAM.

En este primer video mostramos una vista en perspectiva de la estructura donde se puede apreciar el comportamiento global.

En este otro mostramos una vista lateral del conjunto, que permite ver las cotas alcanzadas por el agua en cada deflector. También podrían definirse cortes para ver únicamente el nivel en las coordenadas de los elementos de control o inspección.

Como hemos visto, este tipo de simulaciones con superficie libre puede utilizarse en etapas preliminares del diseño donde interesa tener capacidad rápida para iterar. También se puede emplear para validar un diseño ya realizado en etapas previas a la construcción o para explorar posibles optimizaciones.

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